Cartographie des écosystèmes et paramètres biophysiques satellitaires pour l'étude des flux hydriques sur le continent africain

Dans le contexte des changements climatiques, l'objectif du travail effectué est de caractériser l'hétérogénéité du continent africain afin de mieux comprendre et quantifier les processus de surface agissant sur les flux hydriques. Ce travail s'inscrit dans le cadre de la mise à jour de la base de données ECOCLIMAP-I constituée d'une carte d'occupation des sols et des cartes de paramètres biophysiques. Pour cela, on s'appuie sur des données de télédétection acquises par les capteurs de dernière génération MODIS et SPOT/VEGETATION entre 2000 et 2007. Dans un premier temps, deux techniques de classification ont été développées afin de cartographier les différents écosystèmes. L'une, supervisée, a été conduite dans le contexte du programme AMMA afin de discriminer les écosystèmes sur la région ouest-africaine en combinant l'information complémentaire contenue dans les cartes d'occupation du sol GLC2000 et ECOCLIMAP-I par analyse supervisée de l'indice foliaire (LAI) MODIS. L'autre, non supervisée et hybride, utilise les principes de regroupement hiérarchique et dynamique de manière automatique en combinant l'usage du classificateur k-NN et celui de la transformée de Fourier Discrète sur la base des données d'indice de végétation normalisé (NDVI) SPOT/VEGETATION pour identifier les écosystèmes africains. Dans un deuxième temps, des méthodes d'estimation des paramètres biophysiques tels que l'albédo, la fraction de végétation, l'indice foliaire ont été développées et/ou appliquées sur le continent. Une approche statistique permet de déterminer la contribution du sol nu et de la végétation à la constitution de l'albédo de surface comme tel que cela est requis dans les modèles de surface. La méthode a d'abord été appliquée sur la région ouest-africaine et sa robustesse a été prouvée lors de son application à l'intégralité du continent africain. Ces conditions de surface ont ensuite été implémentées dans le modèle de surface ISBA pour reproduire les processus de surface. La sensibilité d'ISBA au forçage physiographique a été étudiée en analysant deux simulations avec le même forçage atmosphérique sur la région ouest-africaine : l'une en utilisant la classification ECOCLIMAP-I et l'autre en utilisant la nouvelle paramétrisation de la surface développée sur la région ouest-africaine. Les flux de chaleur latente et sensible sont principalement pilotés par la fraction de végétation. Le modèle ISBA peut être utilisé pour prédire l'impact d'un changement d'occupation du sol et par conséquent des actions anthropiques sur le bilan hydrique.In the context of climate change, the aim of this study is to characterize the heterogeneity of the African continent in order to provide some elements to better understand and quantify surfaces process acting on hydric fluxes. This work is intented to update the double ECOCLIMAP-I database which is constituted by a land cover map and a dassets of land biophysical parameters. To this end, we use remotely sensed data acquired by the latest generation sensors MODIS and SPOT/VEGETATION between 2000 and 2007. During the first step, two methods of classifications has been developed for the mapping of different ecosystems. The first method, which is supervised, is obtained by combining information provided by the both global land cover map GLC2000 and ECOCLIMAP-I using an interactive analysis of MODIS leaf area index (LAI). It has been performed in the framework of the AMMA project to discriminate ecosystems over the western African Region. The second method is hybrid in that it combines k-NN clustering, hierarchical principles and the Fast Fourier Transform (FFT) on the basis of multi-annual NDVI data from SPOT/VEGETATION to identify ecosystems at the whole African continent. Then, methods for the estimation of land surface biophysical variables such as albedo, fractional vegetation cover and leaf area index has been developed and/or applied over the mainland. A statistical approach allows us to determine the contribution of bare soil albedo and vegetation albedo to the constitution of albedo as required in land surface models. After the application of the latter approach over the western african region, we demonstrate the robustness of the method by applying it over the entire mainland. The sensitivity of two land surface scenarios was studied by analysing two simulations with the same atmospheric forcing over the western African Region:one using the ECOCLIMAP-I classification and another using the new physiographic forcing specifically developed over the western African region. Heat and latent flux are mainly driven by the fractional vegetation coverage. The land surface model ISBA can be used to predict the impact of land cover change and accordingly the anthropic pressure on hydric fluxes

Cartographie des écosystèmes et paramètres biophysiques satellitaires pour l'étude des flux hydriques sur le continent africain

In the context of climate change, the aim of this study is to characterize the heterogeneity of the African continent in order to provide some elements to better understand and quantify surfaces process acting on hydric fluxes. This work is intented to update the double ECOCLIMAP-I database which is constituted by a land cover map and a dassets of land biophysical parameters. To this end, we use remotely sensed data acquired by the latest generation sensors MODIS and SPOT/VEGETATION between 2000 and 2007. During the first step, two methods of classifications has been developed for the mapping of different ecosystems. The first method, which is supervised, is obtained by combining information provided by the both global land cover map GLC2000 and ECOCLIMAP-I using an interactive analysis of MODIS leaf area index (LAI). It has been performed in the framework of the AMMA project to discriminate ecosystems over the western African Region. The second method is hybrid in that it combines k-NN clustering, hierarchical principles and the Fast Fourier Transform (FFT) on the basis of multi-annual NDVI data from SPOT/VEGETATION to identify ecosystems at the whole African continent. Then, methods for the estimation of land surface biophysical variables such as albedo, fractional vegetation cover and leaf area index has been developed and/or applied over the mainland. A statistical approach allows us to determine the contribution of bare soil albedo and vegetation albedo to the constitution of albedo as required in land surface models. After the application of the latter approach over the western african region, we demonstrate the robustness of the method by applying it over the entire mainland. The sensitivity of two land surface scenarios was studied by analysing two simulations with the same atmospheric forcing over the western African Region:one using the ECOCLIMAP-I classification and another using the new physiographic forcing specifically developed over the western African region. Heat and latent flux are mainly driven by the fractional vegetation coverage. The land surface model ISBA can be used to predict the impact of land cover change and accordingly the anthropic pressure on hydric fluxes.Dans le contexte des changements climatiques, l'objectif du travail effectué est de caractériser l'hétérogénéité du continent africain afin de mieux comprendre et quantifier les processus de surface agissant sur les flux hydriques. Ce travail s'inscrit dans le cadre de la mise à jour de la base de données ECOCLIMAP-I constituée d'une carte d'occupation des sols et des cartes de paramètres biophysiques. Pour cela, on s'appuie sur des données de télédétection acquises par les capteurs de dernière génération MODIS et SPOT/VEGETATION entre 2000 et 2007. Dans un premier temps, deux techniques de classification ont été développées afin de cartographier les différents écosystèmes. L'une, supervisée, a été conduite dans le contexte du programme AMMA afin de discriminer les écosystèmes sur la région ouest-africaine en combinant l'information complémentaire contenue dans les cartes d'occupation du sol GLC2000 et ECOCLIMAP-I par analyse supervisée de l'indice foliaire (LAI) MODIS. L'autre, non supervisée et hybride, utilise les principes de regroupement hiérarchique et dynamique de manière automatique en combinant l'usage du classificateur k-NN et celui de la transformée de Fourier Discrète sur la base des données d'indice de végétation normalisé (NDVI) SPOT/VEGETATION pour identifier les écosystèmes africains. Dans un deuxième temps, des méthodes d'estimation des paramètres biophysiques tels que l'albédo, la fraction de végétation, l'indice foliaire ont été développées et/ou appliquées sur le continent. Une approche statistique permet de déterminer la contribution du sol nu et de la végétation à la constitution de l'albédo de surface comme tel que cela est requis dans les modèles de surface. La méthode a d'abord été appliquée sur la région ouest-africaine et sa robustesse a été prouvée lors de son application à l'intégralité du continent africain. Ces conditions de surface ont ensuite été implémentées dans le modèle de surface ISBA pour reproduire les processus de surface. La sensibilité d'ISBA au forçage physiographique a été étudiée en analysant deux simulations avec le même forçage atmosphérique sur la région ouest-africaine : l'une en utilisant la classification ECOCLIMAP-I et l'autre en utilisant la nouvelle paramétrisation de la surface développée sur la région ouest-africaine. Les flux de chaleur latente et sensible sont principalement pilotés par la fraction de végétation. Le modèle ISBA peut être utilisé pour prédire l'impact d'un changement d'occupation du sol et par conséquent des actions anthropiques sur le bilan hydrique

Evapotranspiration Variability and Its Association with Vegetation Dynamics in the Nile Basin, 2002–2011

Evapotranspiration (ET) is a vital component in land-atmosphere interactions. In drylands, over 90% of annual rainfall evaporates. The Nile Basin in Africa is about 42% dryland in a region experiencing rapid population growth and development. The relationship of ET with climate, vegetation and land cover in the basin during 2002–2011 is analyzed using thermal-based Simplified Surface Energy Balance Operational (SSEBop) ET, Normalized Difference Vegetation Index (NDVI)-based MODIS Terrestrial (MOD16) ET, MODIS-derived NDVI as a proxy for vegetation productivity and rainfall from Tropical Rainfall Measuring Mission (TRMM). Interannual variability and trends are analyzed using established statistical methods. Analysis based on thermal-based ET revealed that >50% of the study area exhibited negative ET anomalies for 7 years (2009, driest), while >60% exhibited positive ET anomalies for 3 years (2007, wettest). NDVI-based monthly ET correlated strongly (r > 0.77) with vegetation than thermal-based ET (0.52 < r < 0.73) at p < 0.001. Climate-zone averaged thermal-based ET anomalies positively correlated (r = 0.6, p < 0.05) with rainfall in 4 of the 9 investigated climate zones. Thermal-based and NDVI-based ET estimates revealed minor discrepancies over rainfed croplands (60 mm/yr higher for thermal-based ET), but a significant divergence over wetlands (440 mm/yr higher for thermal-based ET). Only 5% of the study area exhibited statistically significant trends in ET

Comparison between Vegetation and Rainfall of Bioclimatic Ecoregions in Central Africa

This paper investigates the relationship between the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) and extracted rainfall in the Global Precipitation Climatology Project (GPCP) in Central Africa between latitudes 15°S and 20°N and longitudes 0°E and 31°E. Monthly NDVI and GPCP datasets for the period 1982–2000 have been used. The Index of Segmentation of Fourier Components (ISFC) has been applied on the NDVI dataset to segment Central Africa into four bioclimatic ecoregions (BCERs). In order to compare the differential response of vegetation growth to rainfall, an analysis of the inter-annual, intra-annual and seasonal variability for each BCER has been carried out, and the correlations between NDVI and rainfall have been assessed. The plot of the annual cycles of both variables revealed a coherent onset, peak and decay, with a time lag of 1 month for almost all the zones, except the zones, semi-desert and steppe, where a season of short and intense rainfall was observed. The correlation coefficients computed between the two variables are relatively high, especially in brush-grass savannah, where they reach up to 0.90 at a time lag of 1 month. The phenological transition points and phases show that the range between the +1 and -1 time lags corresponds to the duration of the maturity of vegetation. Overall, there is a strong similarity between temporal patterns of NDVI and rainfall, showing that the NDVI can be considered a sensitive indicator of the interannual variability of rainfall

Utilisation de données satellitaires en hydro-météorologie : la recherche à Météo-France

La modélisation des processus de surface en relation avec le cycle du carbone et l’hydrologie superficielle, requiert l’utilisation de la télédétection pour spatialiser et piloter les modèles, et l’assimilation de données de télédétection dans différents domaines de longueur d’onde. L’utilisation des produits de télédétection spatiale sur les surfaces continentales pour des applications de recherche et pré-opérationnelles est développée à Météo-France dans le cadre de la plate-forme de modélisation SURFEX, incluant une représentation du système sol-plante (ISBA), des zones urbaines (TEB) et des lacs (FLAKE). La spatialisation des paramètres du modèles est réalisée dans SURFEX grâce à la base de données ECOCLIMAP, et sur l’Europe et l’Afrique, une version plus récente (ECOCLIMAP2). Le rayonnement incident et l’albédo (produits par le SAF-Land d’EUMETSAT en particulier) permettent de contraindre le modèle. Humidité superficielle du sol et LAI peuvent être assimilés dans le modèle, pour corriger sa « trajectoire ». Température de surface, et une indication du gel/dégel du sol permettent de vérifier les simulations. Enfin, étant donné la disponibilité de séries satellitaires de plus en plus longues (AVHRR, micro-ondes actives ou passives), la télédétection est susceptible d’être utilisée dans la production ou la vérification de réanalyses climatiques. Un développements important de l’utilisation de données de télédétection pour les surfaces continentales est à attendre dans le cadre de GMES (Global Monitoring for Environment and Security) et des SAF d’EUMETSAT. En parallèle, il est important de développer des sites de mesure pour la validation croisée satellite / modèle / in-situ